Роботы, дроны и датчики помогают в проведении инспекций уже сейчас и могут быть полностью автоматизированы в недалеком будущем.

Беспилотники и ползающие роботы, оснащенные специальными сканерами, могут помочь лопастям ветрогенераторов дольше оставаться в эксплуатации, что может снизить стоимость ветровой энергии в условиях, когда лопасти становятся все больше, дороже и сложнее в транспортировке. С этой целью исследователи из Центра по изучению надежности лопастей ветрогенераторов Министерства энергетики США и Национальной лаборатории Сандиа работают над способами неинвазивного осмотра лопастей ветрогенераторов на наличие скрытых повреждений, которые были бы быстрее и детальнее, чем традиционные осмотры с помощью камер.

Лопасти ветрогенераторов — это самые большие цельные композитные конструкции в мире, даже больше любого самолета, и их часто устанавливают на оборудование в отдаленных местах. Лопасть подвергается воздействию молний, ​​града, дождя, влажности и других сил, проходя через миллиард циклов нагрузки в течение своего срока службы, но ее нельзя просто посадить в ангар для технического обслуживания.

Однако, по словам Пакета, регулярный осмотр и ремонт имеют решающее значение для поддержания лопаток турбин в рабочем состоянии. Тем не менее, существующие методы осмотра не всегда позволяют вовремя обнаружить повреждения. Сандиа использует опыт исследований в области авионики и робототехники, чтобы изменить это. По его словам, обнаружение повреждений до того, как они станут видимыми, позволит проводить более мелкие и дешевые ремонтные работы, что продлит срок службы лопатки.

В одном из проектов компания Sandia оснастила ползающего робота сканером, который ищет повреждения внутри лопастей ветрогенератора. Во второй серии проектов Sandia объединила дроны с датчиками, которые используют тепло солнечного света для обнаружения повреждений.

Традиционно в ветроэнергетической отрасли использовались два основных подхода к осмотру лопастей ветротурбин, говорит Паке. Первый вариант — отправить специалиста с фотоаппаратом и телеобъективом. Инспектор перемещается от лопасти к лопасти, делая фотографии и осматривая лопасти на наличие видимых повреждений, таких как трещины и эрозия. Второй вариант аналогичен, но вместо того, чтобы стоять на земле, инспектор спускается по веревке с башни ветротурбины или перемещает платформу на кране вверх и вниз по лопасти.

При визуальном осмотре видны только поверхностные повреждения. Однако зачастую к тому моменту, когда вы замечаете трещину на внешней поверхности лезвия, повреждение уже довольно серьезное. В этом случае потребуется дорогостоящий ремонт, а возможно, даже замена лезвия.

Эти проверки пользуются популярностью, потому что они доступны по цене, но, по словам Пакета, они не могут выявить повреждения до того, как они перерастут в более серьезную проблему. Ползучие роботы и дроны Sandia призваны сделать неинвазивный внутренний осмотр лопастей ветрогенераторов жизнеспособным вариантом для отрасли.

Компания Sandia совместно с партнерами International Climbing Machines и Dophitech создала ползающего робота, вдохновленного машинами, используемыми для осмотра плотин. Робот может перемещаться из стороны в сторону и вверх-вниз по лопасти ветряной электростанции, подобно тому, как человек рисует рекламный щит. Бортовые камеры делают снимки высокого качества для обнаружения повреждений поверхности, а также небольших дефектов, которые могут указывать на более крупные, подповерхностные повреждения. Во время движения робот также использует специальный зонд для сканирования лопасти на наличие повреждений с помощью фазированной ультразвуковой антенной решетки.

Сканер работает во многом как ультразвуковые аппараты, используемые врачами для осмотра внутренних органов, за исключением того, что в данном случае он обнаруживает внутренние повреждения лезвий. Изменения в этих ультразвуковых сигналах автоматически анализируются для выявления повреждений.

Деннис Роуч, старший научный сотрудник Sandia и руководитель проекта по созданию роботизированного гусеничного робота, говорит, что ультразвуковая дефектоскопия с фазированной решеткой позволяет обнаружить повреждения в любом слое внутри толстых композитных лопастей.

Удары или перенапряжение, вызванные турбулентностью, создают невидимые под поверхностью повреждения. Задача состоит в том, чтобы обнаружить повреждения до того, как они достигнут критического размера, и устранить их с помощью менее дорогостоящих ремонтных работ, которые также сократят время простоя лопатки. Мы хотим избежать любых отказов или необходимости демонтажа лопатки.

Роуч рассматривает роботизированных гусеничных роботов как часть комплексного метода осмотра и ремонта лопастей ветрогенераторов.

Представьте себе ремонтную бригаду на платформе, поднимающуюся по лопасти ветрогенератора, а впереди ползет робот. Когда робот обнаруживает повреждение, инспекторы могут отметить это место, чтобы было видно, где именно произошло повреждение. Ремонтная бригада шлифует поврежденный участок и восстанавливает композитный материал. Такой комплексный подход, включающий осмотр и ремонт, позволяет быстро вернуть лопасть в эксплуатацию.

Компания Sandia также сотрудничала с несколькими малыми предприятиями в рамках серии проектов по оснащению дронов инфракрасными камерами, которые используют тепло солнечного света для обнаружения скрытых повреждений лопастей ветрогенератора. Этот метод, называемый термографией, позволяет обнаруживать повреждения на глубине до полудюйма внутри лопасти.

Мы разработали метод, при котором лезвие нагревается на солнце, а затем прокатывается или вращается до тех пор, пока не окажется в тени. Солнечный свет рассеивается по лезвию и выравнивает температуру. По мере рассеивания тепла ожидается, что поверхность лезвия остынет. Но дефекты, как правило, нарушают тепловой поток, в результате чего поверхность над ними и сами дефекты остаются горячими. Инфракрасная камера обнаруживает эти горячие точки и помечает их как обнаруженные повреждения.

В настоящее время наземные термографические устройства используются и в других отраслях, например, в техническом обслуживании самолетов. Поскольку для этого применения камеры устанавливаются на беспилотниках, приходится идти на компромиссы, говорит Эли.

Вам не нужны дорогостоящие устройства на дроне, которые могут разбиться, и вам не нужен дрон, потребляющий много энергии. Поэтому мы используем очень маленькие ИК-камеры, соответствующие нашим критериям, а затем используем оптические изображения и лидар для получения дополнительной информации.

Лидар, похожий на радар, но использующий видимый свет вместо радиочастотных волн, измеряет время, необходимое свету для прохождения до точки и от нее, чтобы определить расстояние между объектами. Вдохновившись программой НАСА по посадке марсианских аппаратов, исследователи использовали лидарный датчик и воспользовались движением дрона для получения изображений сверхвысокого разрешения. Дрон, осматривающий лопасть ветряка, движется во время съемки, и это движение позволяет получать изображения сверхвысокого разрешения.

Вы используете движение для заполнения дополнительных пикселей. Если у вас камера или лидар с разрешением 100 на 100 пикселей, и вы делаете один снимок, то это разрешение — всё, что у вас будет. Но если вы перемещаетесь во время съёмки на субпиксельное расстояние, вы можете заполнить эти пробелы и создать более мелкую сетку. Данные из нескольких кадров можно объединить для получения изображения сверхвысокого разрешения.

Использование лидара и сверхразрешающей съемки также позволяет исследователям точно отслеживать места повреждений лезвия, а лидар может также измерять эрозию на кромках лезвия.

Автономные инспекции мостов и линий электропередач уже стали реальностью, и Паке считает, что они также станут важной частью обеспечения надежности лопастей ветротурбин.

Автономный осмотр станет огромной областью применения, и он действительно имеет смысл в ветроэнергетической отрасли, учитывая размеры и расположение лопастей. Вместо того чтобы человеку приходилось ходить или ездить от лопасти к лопасти, чтобы осмотреть ее на наличие повреждений, представьте, что осмотры будут автоматизированы.

Паке говорит, что существует множество методов проверки, от простых наземных осмотров с помощью камер до совместной работы дронов и гусеничных машин для определения состояния лопасти.

Я представляю себе каждую ветроэлектростанцию ​​с дроном или целым флотом дронов, которые будут ежедневно взлетать, облетать ветряные турбины, проводить все необходимые проверки, а затем возвращаться и загружать данные. После этого оператор ветроэлектростанции будет просматривать данные, уже обработанные искусственным интеллектом, который будет искать отличия в лопастях от результатов предыдущих проверок и отмечать потенциальные проблемы. Затем оператор запустит роботизированный гусеничный робот на лопасть с предполагаемым повреждением, чтобы провести более детальное обследование и спланировать ремонт. Это стало бы значительным шагом вперед для отрасли.